摘要：高轉速水輪發電（diàn）機（jī）在設計和製造技術上都存在很大難度，主要以某水電站80 MW-600 r/min 發電（diàn）機為例介紹了高轉速水輪發電機的設計和製造特點,對該水輪發（fā）電機在定子、主軸、磁軛、磁極、軸承、機架、防振支撐及通風係統等方麵的設計（jì）、製造及所采用的東芝先進技術進行了說明。為今後類似水輪（lún）發電機的設計和製造提（tí）供借鑒。

關鍵詞：高轉速水輪（lún）發電機；結構設計；電磁設計]

0 前言

     該水輪發（fā）電機裝於（yú）寶（bǎo）興河流域梯級開發的龍頭水庫電站，電站采用引水式（shì）開發，地下（xià）廠房，工程任務為發電。電站廠址位於雅安地區寶興縣。電站總（zǒng）裝機容量（liàng）240 MW，裝設3 台單機容量為80 MW的（de）立軸混流式（shì）水輪發電機組。該水輪發電機采用了許多（duō）先進的水輪發電機組（zǔ）設計和製造技術。本文將重（chóng）點介紹該電站發電機設計和製造特點。

1 發電（diàn）機（jī）主要技（jì）術數據

型號： SF80- 10/4160

額定容量： 88.89 MVA

額定功率： 80 MW

額定電壓： 13.8 kV

額定電流： 3 718.8 A

額定功率因數： 0.9(滯後（hòu）)

絕緣等級（jí）： F/F ( 定子/ 轉子)

額定轉速： 600 r/min

飛逸轉（zhuǎn）速： 960 r/min

轉（zhuǎn）動慣量（liàng）： ≥650 t·m2

額定勵磁電壓： 220 V

額定（dìng）勵磁電流： 807 A

通風冷卻係統： 密閉循環、軸向風扇自循環（huán）

通風冷卻係統

2 發電機電磁設計

     電磁（cí）設計主（zhǔ）要數據（計算值）如下：

     定子鐵心外徑4 160 mm；定子鐵心內徑3 300mm；定子鐵心高度1 902 mm；縱軸同步電抗Xd (標幺值)1.044；縱軸瞬變電抗Xd’（ 標幺值）0.315；縱軸超瞬變電抗Xd”（標幺值）0.187；短路比>1.0。

3 總體結構

      發（fā）電機為立軸懸式、三（sān）相凸極同步發電機，采（cǎi）用密閉循環、軸向風扇自循環通風及空氣冷卻的（de）形式（shì）。發電機主要由定子（zǐ）、轉子、上下機架、上（shàng）下導軸承及推力軸承、製（zhì）動和頂起係統、滅火係（xì）統、空氣冷卻係統、自動化係（xì）統（tǒng）等組成。見圖1。

4 結構設計和安裝特點

4.1 定子

      定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機座整體結構，鐵心疊裝和繞（rào）組下線在工地進行。

      發電機定子機座為正12 邊形，機座對邊尺寸（cùn）為5 300 mm，機座高3 050 mm。機座設頂環、上環、中環及下環（大齒壓板），環間沿圓周布置加強立筋、支撐管和導風板。定子機座內（nèi）腔（qiāng）及大齒（chǐ）壓板（bǎn）在工廠加工。上齒壓板采用分塊式結構。上、下齒壓板的壓指及通風槽鋼均采用非（fēi）磁性材料，以減小漏磁損耗。定子機座與基礎板（bǎn）采用徑向銷定位，允許定子機座受熱膨脹時徑向自由移（yí）動（dòng）。

      定子鐵心由（yóu）0.5 mm 厚的50W270 矽鋼片在（zài）現場疊壓、分段壓緊而成。定位拉（lā）緊螺杆采用（yòng）特殊的與定位筋合為一體的結構。合適的鴿尾筋數量、適當的定子機座剛性結構，使定子鐵心能與機（jī）座同步膨脹而不會變形翹曲。

      定子繞組為雙層條（tiáo）式波繞（rào）組（zǔ）、2 支（zhī）路星形連接。繞組絕緣等級為F 級（jí）。定子線棒采（cǎi）用槽內360°羅（luó）貝爾（ěr）換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。上、下層線（xiàn）圈端頭采（cǎi）用分3 組對接（jiē）銀焊的結（jié）構。

     4.2 轉子

      轉子采用單軸（zhóu）結（jié）構，由主軸、磁軛和磁極（jí）等部件（jiàn）組成。轉子的（de）設計（jì）充（chōng）分考慮該機（jī）組高轉速的特點，各零部（bù）件的強度及（jí）剛度均能得到保證（zhèng）。發電機（jī）主軸采用分（fèn）段鍛造，再焊成一體的結構，材質為20SiMn；其中部與轉子磁軛在工廠熱套成一體；上部與推力頭現場（chǎng）套裝，通過卡環承受軸向負荷，通過軸向鍵傳遞轉矩（jǔ）；主軸下（xià）側設滑轉子與下導軸（zhóu）承（chéng）相配（pèi），下部法蘭與水輪（lún）機軸相連（lián）。

     磁軛采（cǎi）用高強度環形（xíng）厚（hòu）鋼板疊壓後焊成一體結構，在數（shù）控（kòng）車床上精確加（jiā）工內圓以及外周T 尾槽。磁軛整體加工完成後在工廠采用小過盈（yíng）熱（rè）套在發電機（jī）大軸（zhóu）上，一體運輸。磁軛與（yǔ）主軸通過（guò）周向均布（bù）的5 組T 型鍵傳（chuán）遞扭（niǔ）矩，頂轉子（zǐ）時由卡（kǎ）環軸向限位。這種磁軛具有結構簡單（dān），整體性好，安裝方便等優點。磁極由磁極鐵心、阻尼繞（rào）組及套於鐵心（xīn）的磁極線圈組成。

      磁極鐵心由1.5 mm 厚的（de）高強度薄鋼板疊壓而成，並用拉緊螺杆壓緊。鐵心設雙T 尾掛裝在（zài）磁軛上，可滿足高轉速下高應力（lì）的（de）需要。磁極端板采用高（gāo）強度厚鋼板焊接而成。磁極線圈由兩種寬度不同的半硬紫銅排焊接而成。這種線圈由於表麵有凸出的散熱匝，可成倍增加其散熱麵積,從而降低線圈的溫升（shēng），且線圈的形（xíng）狀規整。線圈匝間墊以Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。線圈對地絕緣除了極身絕緣外（wài），在極身四周角部設置角（jiǎo）絕緣。磁（cí）極線圈（quān）上部除了設有上絕緣法蘭，還（hái）設有（yǒu）不鏽鋼滑動法蘭，以適應（yīng）磁極線圈熱膨脹作用下的滑動，防止匝間絕緣損（sǔn）壞；下部設有下絕緣法蘭和鐵法蘭。同（tóng）時為了克服線圈在離心力作用下產生（shēng）的側向分量（liàng），在極間設置3 組線（xiàn）圈支撐。詳見圖（tú）2。

     磁極采用雙T 尾掛裝方式。在磁極（jí）鐵心上下兩端T 尾各打入一對（duì）短楔形鍵將磁極楔緊在磁軛上，並用壓板鎖定楔形（xíng）鍵（jiàn），這種結構（gòu）磁（cí）極鍵拆（chāi）裝方（fāng）便。轉子設有縱、橫阻（zǔ）尼繞組。阻尼環采（cǎi）用銷子可靠地固定於磁極端（duān）板上，阻（zǔ）尼環連接采用軟連接，並通過非磁性拉緊螺杆可靠地固定（dìng）在磁軛上，以承受（shòu）離心力的作用。磁極的上（shàng）部（bù）極間引出線通過內穿式下部引出，並（bìng）采用與下部極間引出線相同的（de）方式固定在磁軛上，以承受離心力的作用。勵磁引線由銅排製成，通過布置在磁軛（è）上端的勵磁引線及軸內勵磁引線沿發電機大軸接至集電環。

4.3 軸承（chéng）

      推力軸承及上導軸承布置在上（shàng）機架中心體油（yóu）槽內，分別承受機組軸向負荷和一（yī）部（bù）分徑向負荷。推（tuī）力頭與主軸采用（yòng）熱套結構（gòu），推（tuī）力頭在現場與（yǔ）鏡（jìng）板用螺栓連接後，熱套於發電機主（zhǔ）軸上。

      推力軸承采用東芝典（diǎn）型（xíng）支撐（chēng）結構，推力軸瓦由小彈簧簇支撐，這種結（jié）構具有性能可靠、瓦間（jiān）受力（lì）均勻、瓦變形小、抗（kàng）傾覆能力強以及安裝維護方便等優點。推力軸承由9 塊扇形瓦組成。推力軸瓦采用塑料瓦。推力瓦支撐麵為麵接觸，可有（yǒu）效減小瓦麵的機（jī）械變形。支撐彈簧和各塑料瓦由工廠加工保證精度，現場不需作推力瓦受力調整。

      推力及上導軸承（chéng）采（cǎi）用鏡板泵自（zì）循環（huán）外置（zhì）油冷卻（què）器冷卻的方式，冷卻循環油（yóu）的油壓（yā）由旋轉著的推力頭上（shàng）的孔產生，油通過油管進入油冷卻（què）器冷卻後，再經油管回到油槽，冷卻（què）推力（lì）瓦及（jí）上導瓦後再進入鏡板泵循環。此結構無需提供外加（jiā）動（dòng）力，維護方便。

      上導軸承由（yóu）為分（fèn）塊瓦結構（gòu），瓦麵為（wéi）巴氏合金。導軸承采（cǎi）用支柱支撐結構，瓦的背（bèi）麵有球（qiú）麵支承柱（zhù），該結構在運行時（shí）導瓦能靈活偏轉，導瓦支撐的調（diào）整具有方便、可靠、準確（què）等優點。推力頭的外周麵作為上（shàng）導軸承瓦的摩擦麵。

      下導軸承也為分塊瓦結構，瓦麵為巴氏合金，支撐結構與上導相同。下（xià）導軸承采（cǎi）用內循環潤（rùn）滑冷卻方式，油槽內設兩（liǎng）個半（bàn）環高效油冷器。導軸承支撐結構見圖4。

       4.4 機架

      上機架為負荷機架，采用整體焊接結構。它由中心體（tǐ）和6 條支臂組成。中心體作（zuò）為推力及上導油槽使用。上（shàng）機架用銷釘定位（wèi），並通過螺栓把合在定（dìng）子機（jī）座上，上機架承受垂直負荷，並經定子機座傳遞至基礎。上機架還承擔因轉動部件的徑向（xiàng）機械不平衡力和徑向電磁不（bú）平衡力以及徑向的熱膨脹力，並（bìng）通過切向防振支撐將徑向力轉為切向力傳遞至基礎。上機架的（de）設計具有足夠的軸向和徑向剛度。

      下機架為上下兩圓盤式整體結（jié）構。中心體作為下導軸承的油槽使用。製動器放置（zhì）在上（shàng）圓盤支臂上。整個下機架通過連接板固定在下機架基礎上。下機架還承擔因轉動部件的徑向（xiàng）機械不平衡力和（hé）徑向電（diàn）磁不平衡力（lì），並通過（guò）徑向（xiàng）防振支撐傳遞至基礎。下機架具有足夠（gòu）的軸向和徑向剛度，並且（qiě）結（jié）構（gòu）上可以從定子鐵心內徑取出。

     4.5 防振（zhèn）支撐

      防振支撐的徑向剛度對軸係的穩定性非常重要，上機架防振（zhèn）支撐采用了切向支撐結構，通過有限元分析計算（suàn）整個上機架係統的徑向剛度。下防振支撐采用支柱式支撐結構，預緊力的調整非常（cháng）方便。下（xià）防振支撐彈性體為彈性板結構，這種（zhǒng）結構在滿足徑向剛（gāng）度要求（qiú）的同時還（hái）具（jù）有（yǒu）一定的（de）彈性，能減（jiǎn）輕機組的振動。

5 通風及冷卻係統

      發電機采用密閉循環，雙路軸向風（fēng）扇，自通（tōng）風冷卻方式。

     由於本發電機轉子尺寸小，轉子磁極本（běn）身產生的風量不能滿足冷卻要求。在磁軛上（shàng）、下兩端采用了風損小、風壓平穩、噪音小的軸向風（fēng）扇。

      定子機座外裝設6 隻空氣（qì）冷卻器。空冷器為LTS 薄片脹管式空氣熱交換器，該結構具有風阻低、傳熱效率（lǜ）高（gāo）、用水量少、清洗方便等（děng）優點。當一（yī）台空冷器退出運行時，能滿足發電機額定運行。

6 結束語

     該（gāi）水輪發電機是通過引進東芝在高轉速、大容量（liàng）機組方麵的先進技術及結合國內高轉速機組使用經驗的基礎上完成的。自2006 年12 月首台機組投運以來，目前3 台水輪發電機（jī）均運行（háng）穩（wěn）定，性能良好，發電機定轉子溫（wēn）升，振動及（jí）擺度均（jun1）滿足合（hé）同要求。為今後類似的高轉速、大容量水輪發電機的設計和製造提供借鑒。